包郵基于自動化檢測車的橋梁損傷識別理論與實踐

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出版社：科學出版社出版時間：2022-11-01

開本： 16開 頁數： 227

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版權信息
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基于自動化檢測車的橋梁損傷識別理論與實踐版權信息

ISBN：9787030719041
條形碼：9787030719041 ; 978-7-03-071904-1
裝幀：一般膠版紙
冊數：暫無
重量：暫無
所屬分類：
工業技術
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基于自動化檢測車的橋梁損傷識別理論與實踐內容簡介

基于自動化檢測車的橋梁損傷診斷這一概念提出還不到20年，但是自提出到現在，該理論受到了各國學者的關注，產生了諸多研究成果。《基于自動化檢測車的橋梁損傷識別理論與實踐》在自動化檢測車的基礎上，詳細介紹了雙車系統運行動采、三車系統運行動采和三車系統運行靜采方式下的橋梁結構損傷診斷理論。為了讓讀者更深刻地了解自動化檢測車的運行方式，《基于自動化檢測車的橋梁損傷識別理論與實踐》為讀者提供了數值模擬的運行結果，同時也加入了試驗的研究結果，并提供了相應的結果數據和圖表。

基于自動化檢測車的橋梁損傷識別理論與實踐目錄

目錄
前言
第1章緒論1
1.1研究背景及意義1
1.2基于自動化檢測車的橋梁損傷診斷國內外研究綜述5
1.2.1橋梁模態識別5
1.2.2橋梁損傷識別8
1.2.3試驗研究10
1.3本書的理論與實踐11
第2章基于雙車系統運行動采方式的橋梁結構損傷診斷理論13
2.1引言13
2.2理論基礎14
2.2.1雙車-橋系統響應理論解14
2.2.2考慮路面粗糙度的雙車-橋系統響應理論解20
2.2.3帶通濾波器24
2.2.4提取模態振型24
2.2.5基于改進直接剛度法的剛度識別25
2.3單軸車-橋耦合有限元模型27
2.4基于雙車系統的橋梁節點剛度識別步驟30
2.5算例驗證31
2.6參數分析34
2.6.1車速的影響34
2.6.2車體頻率的影響34
2.6.3車輛阻尼的影響35
2.6.4橋梁阻尼比的影響37
2.6.5噪聲的影響38
2.7損傷識別39
2.7.1單損傷40
2.7.2多損傷41
2.8本章小結42
第3章基于三車系統運行動采方式的橋梁結構損傷診斷理論44
3.1引言44
3.2理論基礎45
3.2.1三車-橋系統響應理論解45
3.2.2考慮路面粗糙度的三車-橋系統響應理論解50
3.3基于三車系統的橋梁節點剛度識別步驟55
3.4算例驗證55
3.4.1無路面粗糙度時簡支梁剛度識別56
3.4.2考慮路面粗糙度時簡支梁剛度識別58
3.5參數分析59
3.5.1車距的影響60
3.5.2車速的影響63
3.5.3車體頻率的影響64
3.5.4車輛阻尼的影響65
3.5.5橋梁阻尼比的影響66
3.5.6噪聲的影響67
3.5.7相同的檢測車69
3.6損傷識別69
3.6.1單損傷69
3.6.2多損傷70
3.7本章小結72
第4章基于三車系統運行靜采方式的橋梁結構損傷診斷理論Ⅰ73
4.1引言73
4.2理論基礎74
4.2.1接觸點響應理論74
4.2.2相鄰兩點傳遞率的理論推導75
4.2.3奇異值分解提取模態80
4.2.4接觸點響應與車體響應關系80
4.3算例驗證81
4.3.1接觸點響應與車體響應計算剛度對比81
4.3.2初始條件為零和不為零兩種情況下的計算剛度對比89
4.4參數研究92
4.4.1橋梁阻尼比的參數研究92
4.4.2車輛阻尼的參數研究95
4.4.3環境噪聲的參數研究99
4.4.4外激勵變化研究102
4.4.5路面粗糙度的參數研究106
4.5本章小結109
第5章基于三車系統運行靜采方式的橋梁結構損傷診斷理論Ⅱ110
5.1引言110
5.2理論基礎110
5.2.1單車-橋系統頻率與橋梁模態關系的理論解110
5.2.2多車-橋系統頻率與橋梁模態關系的理論解114
5.2.3基于車-橋系統頻率的橋梁模態提取方法118
5.3算例驗證119
5.3.1基于車-橋耦合單元的有限元模型構建119
5.3.2算例對比122
5.4參數分析128
5.4.1檢測車質量129
5.4.2檢測車車體頻率131
5.4.3橋梁單元劃分數量132
5.4.4頻率測量誤差133
5.4.5橋梁支座條件134
5.5損傷識別136
5.5.1單損傷137
5.5.2多損傷140
5.6本章小結143
第6章基于三車系統運行靜采方式的橋梁結構損傷診斷理論Ⅲ144
6.1引言144
6.2理論基礎144
6.2.1隨機子空間法提取橋梁局部振型144
6.2.2基于傳遞率方法構造橋梁整體振型149
6.2.3主要工作流程圖150
6.3算例驗證150
6.3.1多點靜止采集橋梁檢測法識別步驟簡介150
6.3.2車體信號與關聯點信號損傷識別對比154
6.3.3前處理和兩步法后處理介紹及對比分析156
6.4參數分析160
6.4.1橋梁阻尼比的參數分析160
6.4.2車輛阻尼的參數分析162
6.4.3環境噪聲的參數分析164
6.4.4隨機車輛的參數分析166
6.4.5路面粗糙度的參數分析169
6.5地震波作為外激勵的分析171
6.6支座損傷的初步研究174
6.7高階模態振型的初步識別175
6.8本章小結176
第7章工程試驗驗證177
7.1引言177
7.2典型試驗橋梁177
7.3試驗儀器178
7.3.1牽引車178
7.3.2單軸檢測車179
7.3.3數據采集儀182
7.3.4加速度傳感器183
7.3.5紅外線掃描器185
7.4準備試驗185
7.4.1檢測車強迫振動試驗185
7.4.2檢測車動力試驗189
7.4.3橋梁微振動試驗190
7.4.4橋與車的傳遞性試驗191
7.5雙車系統運行動采方式下試驗192
7.5.1信號的采集和處理192
7.5.2橋頻的識別193
7.5.3模態振型提取與節點剛度反演195
7.5.4橋梁強度對比197
7.6三車系統運行動采方式下試驗198
7.6.1信號的采集和處理198
7.6.2橋頻的識別199
7.6.3模態振型提取與單元剛度反演201
7.6.4橋梁強度對比202
7.6.5橋梁撓度對比203
7.7三車系統運行靜采方式下試驗Ⅰ204
7.7.1信號的采集和處理204
7.7.2橋頻的識別205
7.7.3模態振型提取與節點剛度反演206
7.7.4橋梁強度對比207
7.7.5橋梁撓度對比208
7.8三車系統運行靜采方式下試驗Ⅱ208
7.8.1信號的采集和處理208
7.8.2接觸點響應計算209
7.8.3車-橋頻率的識別210
7.8.4模態振型提取與節點剛度反演211
7.8.5橋梁強度對比213
7.9三車系統運行靜采方式下試驗Ⅲ213
7.9.1信號的采集和處理213
7.9.2蘭花凼橋第四跨**階振型及節點剛度識別215
7.9.3跨中撓度對比217
7.10不同方式下對比分析217
7.11其他橋梁工程驗證217
7.12本章小結217
第8章總結與展望219
8.1總結219
8.2展望220
參考文獻222

展開全部

基于自動化檢測車的橋梁損傷識別理論與實踐節選

第1章　緒論 1.1　研究背景及意義我國不僅有悠久的造橋歷史，還擁有世界一流的造橋技術。始建于隋代，距今已有1400多年歷史的趙州橋(圖1.1)，目前仍然完好地橫跨于洨河之上，向世人展示出中國古人高超的造橋工藝，明代詩人祝萬祉曾有詩句“百尺高虹橫水面，一彎新月出云霄”來描述其形態之優美、建造之精巧[1]。中華人民共和國成立之后，尤其是改革開放以來，隨著中國經濟的飛速發展，對交通基礎設施建設的投入不斷加大，中國的橋梁建設如雨后春筍般蓬勃發展，不僅在建筑數量上領先于世界其他國家，而且在橋梁建造技術上也處于世界先進水平。例如，2018年建成通車的港珠澳大橋，橋隧全長55km，其中主橋29.6km，其建成通車不僅代表了中國橋梁建造的先進水平，還是我國綜合國力的體現[2]。目前，中國已經成為世界上擁有橋梁數目*多的國家，根據《國家公路網規劃(2013年—2030年)》預計[3]，到2030年我國公路總里程將達到580萬km，比2019年末增加約80萬km，可以預見在此期間，我國將會有更多的橋梁修建。在橋梁不斷建造的過程中，“老橋”的數量也逐年增多，由《2010?年公路水路交通運輸行業發展統計公報》可知[2]，我國建造并投入使用超過十年(2010?年以前建造)的橋梁占現有橋梁總數的74.93%，未來還會有更多的橋梁進入“老年化”階段。圖1.1　趙州橋隨著橋梁建造數目的增多，橋梁服役時間越來越長，橋梁在運營期間的健康狀況也越發引起人們的關注。在近三十年，國內外橋梁在運營期間事故時有發生。1994年，建成通車僅15年的韓國圣水大橋發生橋面斷裂事故，事故共造成33人死亡、17人受傷[4]。2007年，通車40年的美國密西西比河大橋突然坍塌，事故共造成13人死亡、145人受傷[5]。2018年，意大利熱那亞一高速公路上的一架高架橋突然坍塌，橋身連同多輛汽車一同墜落，如圖1.2所示，事故共造成43人死亡[6]。2001年，通車僅11年的宜賓金沙江大橋吊索和橋面發生斷裂事故，如圖1.3所示，事故共造成3人死亡、2人受傷[7]。2011年，建成通車12年的福建武夷山公館大橋北端發生坍塌事故，如圖1.4所示，事故共造成1人死亡、22人受傷[8]。2013年，建成通車僅2年的連霍高速河南段義昌大橋發生坍塌事故[9]，事故共造成10人死亡。*近幾年，粵贛高速廣東河源城南出口匝道橋坍塌事故[9]、臺灣宜蘭南方澳跨海大橋倒塌事故[10]等，都造成了重大生命和財產損失。圖1.2　意大利熱那亞高架橋事故現場圖1.3　宜賓金沙江大橋事故現場通過對一系列橋梁事故的反思和總結可知，橋梁坍塌事故發生的原因主要有以下三點[9]： (1) 在橋梁的建造過程中，操作不規范、偷工減料使得橋梁結構在建成之后未能達到設計要求； (2) 在橋梁運營階段，橋梁的超負荷服役使得橋梁結構的自然老化過程加劇，從而導致橋梁結構產生損傷； (3) 由自然災害，如山體滑坡、洪澇等導致的橋梁結構受損。圖1.4　福建武夷山公館大橋事故現場為了降低橋梁在運營階段發生坍塌事故的概率，保證橋梁在正常運營階段的健康穩定，有必要對橋梁的健康狀況進行監測和評估。目前，對既有橋梁安全性監測的方式主要有定期監測、荷載試驗監測以及長期、短期監測。定期監測主要為常規的巡視檢查，其主要做法是以橋梁檢測車為載體，通過照相機、裂縫觀測儀、探查工具以及現場的輔助器材與設備等，直接觀察橋梁表面的裂縫分布、支座受損情況等來評估橋梁的健康狀況。該方法一般可以對橋梁的外觀及部分結構特性進行監測，對橋梁局部關鍵結構構件、節點可以進行較為合理的損傷判斷，然而其難以全面反映橋梁的整體健康狀況，對橋梁結構的損傷程度、剩余壽命也很難做出系統的評估，而且此監測方法需要監測人員在橋下現場作業，存在一定的作業風險[11]。但是，對于量大面廣的中跨徑、小跨徑橋梁，從技術、經濟方面考慮，定期監測目前仍然是一種重要的監測手段。荷載試驗監測包括靜載試驗監測和動載試驗監測，靜載試驗監測是在橋梁封閉的狀態下直接在橋梁上作用荷載，量測與橋梁結構性能相關的靜力參數，如橋梁的變形、撓度、應變、裂縫等，通過分析這些參數，可直接判定全橋的靜承載能力，并得出結構的強度、剛度以及抗裂性能；動載試驗監測是在封橋的條件下通過特定的移動荷載對待測橋梁進行激勵，通過數據采集、信號分析與處理，可以由系統的輸入和輸出確定結構的力學特性，根據橋梁結構的力學特性來評估結構的健康狀況。進行荷載試驗監測時需要大量的車輛荷載，且需要進行封橋處理，不僅耗費大量的人力和物力，還會對交通造成影響，因此該方法在實際橋梁的健康狀況評估中運用較少。對于目前正處于研究發展階段的長期、短期監測，其主要監測方式是在橋梁上直接安裝大量傳感器，如風速儀、加速度儀、應變儀、位移儀、溫度儀等，獲取橋梁在運營階段的響應數據，通過對采集到的數據進行分析處理來獲取橋梁的模態信息，再基于模態信息對橋梁的健康狀況做出全面的評估。針對不同的橋梁，往往需要單獨設置一套監測系統，形成“一橋一系統”的監測方案，這會導致監測成本大幅提高。同時，橋梁需要進行實時不間斷的監測，這往往會造成大量監測數據的采集和存儲，并且監測數據的后期處理也需要耗費很大的精力。長期、短期監測的種種弊端限制了其在絕大多數中跨徑、小跨徑橋梁中的應用，因此該監測方式目前主要運用在大跨徑橋梁上。例如，主跨達1092m的滬蘇通長江公鐵大橋上建立的永久性健康監測系統，其包含401個傳感器[12]。在橋梁荷載試驗監測和長期、短期監測方法中，一個很重要的特點是傳感器需要直接安裝在待測橋梁上，以獲取橋梁的響應信息，這種監測方法稱為直接量測法。直接量測法主要通過環境激勵、車輛強迫振動激勵等方式來激發橋梁振動特性，然后對傳感器采集的信號進行分析處理，以獲取橋梁的模態參數。該方法雖然可以直接獲取橋梁的振動信息，但是往往需要在橋梁上布置大量傳感器，在進行荷載試驗時也需要進行封橋處理，中斷交通，從而使得監測成本提高，檢測效率降低，且費時費力。針對直接量測法的種種不足，Yang等[13]于2004年提出了一種利用自動化檢測車識別橋梁參數的方法，該方法的一個顯著特征是傳感器沒有直接放置在橋梁上，而是安裝在特定的檢測車上，基本理念如圖1.5所示。該方法通過裝有傳感器的檢測車在橋梁上運行來獲取車輛的振動信號，再對振動信號進行處理來獲得橋梁的模態信息，檢測車的作用有兩個：①充當激勵源，對待測橋梁進行激勵，使得橋梁產生振動；②充當信號接收器，通過安裝在檢測車上的傳感器采集車輛的振動信息[14]。該方法在檢測時只需要在檢測車上安裝少量的傳感器，且能在不中斷交通的條件下，像正常行駛的車輛一樣通過橋梁，就可以對橋梁的健康狀況進行評估，具有檢測成本低、機動性強、檢測效率高等優點，并且特別適用于數目眾多的中跨徑、小跨徑橋梁。利用自動化檢測車識別橋梁參數具有一系列優勢，因此很快就吸引了全世界學者的注意，并投入到對該方法的研究中。圖1.5　自動化檢測車識別橋梁參數概念圖 1.2 基于自動化檢測車的橋梁損傷診斷國內外研究綜述如同醫生需要根據患者表現出的癥狀找到病因，為對橋梁的健康狀況進行全面評估，與傳統的橋梁直接量測法類似，首先需要獲取橋梁的模態信息。2004年，楊永斌團隊在全世界首次提出了非傳統的橋梁參數識別方法，從理論上推導出了檢測車響應中包含的橋梁模態頻率信息，并且通過數值模擬方式對其進行了驗證[13]，2005年，Lin等[15]進一步通過實橋試驗證明了從檢測車響應中獲取橋梁模態頻率的可行性。從理論的提出到數值模擬驗證，再到實橋試驗驗證，這一完整的科學研究工作極大地啟發和鼓舞了全世界的研究學者，自此以后，利用自動化檢測車對橋梁參數進行識別的研究工作在全世界興起，并形成了一整套以自動化檢測車為基礎的橋梁損傷診斷方法。在經過短短的16年發展后，其量測對象從*初的橋梁模態頻率發展到如今的模態振型、模態阻尼比以及橋梁的損傷，研究層次也從理論推導、數值模擬發展到更接近實際情況的實驗室縮尺試驗和野外實橋試驗。考慮到未來的推廣應用，檢測車采用的組成形式也從*初的接近單自由度理論模型的單軸車發展到貼近實際、自穩性能更好的雙軸車。為了更好地展示各學者的研究成果，本章按照時間的順序，依次從橋梁模態識別、橋梁損傷識別以及試驗研究三個方面對基于自動化檢測車的橋梁損傷診斷國內外研究現狀做一個綜述。 1.2.1　橋梁模態識別能夠直接反映出橋梁健康狀況的橋梁模態參數包括頻率、振型、阻尼比以及剛度。橋梁頻率*容易被激發出來，因此它也是利用檢測車*早識別出來的橋梁模態參數。 2005年，Yang等[16]從車-橋相互作用的理論推導中發現檢測車響應中包含橋梁響應的信息，基于此，他們通過有限元模型對該結論進行了驗證，從檢測車響應中識別出了橋梁的模態頻率。在理論推導時將車輛響應解中包含的橋梁響應階次從一階擴展到高階，這為進一步從檢測車響應中提取橋梁的高階模態頻率提供了理論支撐[16]。但是，在數值模擬過程中發現，通過直接對車體響應進行快速傅里葉變換(fast Fourier transform，FFT)來獲取橋梁的高階振動頻率，其識別分辨率并不高。2009年，Yang等[17]改進了獲取橋梁頻率的方法，將經驗模態分解(empirical mode decomposition，EMD)引用到對車輛響應的處理中，并結合快速傅里葉變換成功地識別到橋梁的高階頻率。同年，Yang等[18]為提高識別橋梁頻率的成功率，對檢測車的關鍵參數進行了研究，發現檢測車和橋梁的初始加速度振幅比對橋梁頻率識別的影響較大；陳上有等[19]也進行了相關參數分析，在數值模擬中，發現路面粗糙度對橋梁頻率識別的影響較大。2011年，Chang等[20]忽略輪胎變形，將檢測車車輪采用無質量圓盤模擬，發現點模型會在系統中引入高頻振動，這會降低車體頻率在車輛響應中的貢獻。2012年，為了研究實際橋梁中路面粗糙度對提取模態頻率的影響，Yang等[21]采用ISO 8608:1995(E)標準中規定的路面粗糙度[22]來模擬真實橋面的粗糙度，從理論上推導出了在有粗糙度的橋面上車體響應的封閉解，從而解釋了路面粗糙度對橋梁頻率識別的不利影響。2013年，為改善路面粗糙度對提取橋梁頻率的不利影響，Yang等[23]提出了采用兩輛檢測車響應頻譜相減的方法，從殘譜中獲取較高分辨率的橋梁頻率。同年，Yang等在數值模擬中發現檢測車響應的頻譜圖中車體頻率幅值大于橋梁頻率幅值，甚至會掩蓋橋梁頻率，這使得橋梁頻率的識別變得非常困難。為了更好地識別出橋梁頻率，Yang等[24]提出了以帶通濾波為基底并結合奇異譜分析來提取橋梁頻率的方法，結果表明該方法可以很好地消除車體頻率的不利影響。Malekjafarian等[25]將頻域分解(frequency domain decomposition，FDD)法用于提取橋梁頻率，結果表明該方法優于快速傅里葉變換。2014年，Li等[26]提出了一種以車輛響應為目標函數，并采用廣義模式搜索算法(generalized pattern search algorithm，GPSA)的橋梁頻率優化識別方法，該方法不是從車輛響應的頻域中提取橋梁模態頻率，而是通過時域優化的方法獲取橋梁頻率，數值模擬表明該方法能夠在一定的噪聲條件下很好地識別出橋梁一階頻率，相比于遺傳算法(genetic algorithm，GA)，其具有更高的計算效率，不過在數值模擬中并未考慮路面粗糙度。2016年，Kong等[27]提出了將兩輛檢測車加速度信號在時域內相減獲得殘余響應，然后對殘余響應進行快速傅里葉變換來獲取橋梁頻率的方法，數值模擬表明在有路面粗糙度的情況下，該方法與文獻[23]中采用加速度頻譜相減獲取橋梁頻率相比，能夠獲得更高階數的橋梁頻率。同年，為消除路面粗糙度對提取橋

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